论文以航空发动机排气系统高效低阻冷却技术发展为背景,对喷管与塞锥壁面冷却结构进行设计与优化,并针对超音速主流条件下主次流干涉对换热影响机理进行了初步分析。论文首先以典型的收敛扩张喷管为研究对象,设计了气膜冷却结构并利用CFD商业软件针对喷管扩张段在亚音、临界以及超音速条件下的气动与换热特性开展了数值模拟研究,初步分析了超声速与亚声速主流条件下气膜冷却特性的差异。研究发现,通过优化气膜孔参数可以降低气膜出流与超声速主流之间的干涉,提高冷却效率。扩张段内主流的降温和膨胀使其后段壁面冷却效率偏高,通过优化气膜孔排布方式可以缓解这种不均匀性。论文同时开展了塞锥壁面冷却技术的研究。将多种先进冷却结构(如多斜孔等)应用于喷管与塞锥冷却,并为了适应塞锥壁面亚音速与超音速区交替的复杂气动特征,建立了分区冷却的思路,优化设计了塞锥头部和尾部冲击气膜冷却结构,强化对二次流的约束引导,最大限度地发挥了二次流的冷却潜力。之后,论文进一步将塞锥尾部细化分区,引入并优化了多斜孔气膜冷却结构,有效降低了支板以及塞锥表面温度,将锥体温度控制在长期使用温度下;并针对支板尾缘处塞锥外壁面结构进行优化,降低了支板尾迹流对塞锥壁面温度分布的影响,提高了壁面温度均匀性。最后,基于缩比塞锥模型,论文对多斜孔气膜冷却结构进行了优化设计,在固定密流比的条件下,通过数值模拟研究,得到气膜孔几何参数对塞锥壁面换热特性的影响规律。研究发现,减小孔斜角与孔径可以提高冷却效果,同时降低气动损失。研究结果为今后的缩比模型实验研究打下基础。